DE19600808B4 - A device for suppressing voltage transients and for detecting desaturation states in power transistor systems - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Unterdrücken von Spannungstransienten und zum Detektieren von Entsättigungszuständen in Leistungstransistorsystemen mit
einem ersten Transistor (10) mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem Ansteuerungsanschluss und einem Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen,
einer ersten Diode (28) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Kathode der ersten Diode (28) an den ersten Anschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist und die erste Diode (28) eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufweist, welche kleiner als der Lawinendurchbruchspannungsnennwert ist,
einer zweiten Diode (32) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode der zweiten Diode (32) an die Anode der ersten Diode (28) gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode (32) an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist,
einer Ansteuerungseinrichtungsschaltung, die an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist, wobei die Ansteuerungseinrichtungsschaltung zum Liefern eines Ansteuerungssignals an den ersten Transistor (10) dient,...Device for suppressing voltage transients and for detecting desaturation states in power transistor systems
a first transistor (10) having a first terminal, a second terminal, a driving terminal and an avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals,
a first diode (28) having an anode and a cathode, wherein the cathode of the first diode (28) is coupled to the first terminal of the first transistor (10) and the first diode (28) has a reverse breakdown voltage which is less than is the avalanche breakdown voltage rating,
a second diode (32) having an anode and a cathode, wherein the anode of the second diode (32) is coupled to the anode of the first diode (28) and the cathode of the second diode (32) to the drive terminal of the first transistor (10 ) is coupled,
a driving device circuit coupled to the driving terminal of the first transistor (10), the driving device circuit serving to supply a driving signal to the first transistor (10);

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Spannungstransienten und zum Detektieren von Entsättigungszuständen in Leistungstransistorsystemen.These The invention relates to a device for suppressing voltage transients and for detecting desaturation states in Power transistor systems.

Entsättigungsdetektionsschaltkreise mit schnellen Ansprechzeiten und präzisen Detektionsschwellen sind für Systeme mit Leistungstransistoren erwünscht, um die Leistungstransistoren vor übermäßigem Strom, beispielsweise von einem Lastkurzschluss, zu schützen. Während des anfänglichen Einschaltens eines Leistungstransistors muss jedoch der Entsättigungsdetektionsschaltkreis für eine ausreichende Zeit gesperrt werden, um eine Sättigung des Transistors zu ermöglichen. In der Vergangenheit ist dieses Problem gelöst worden, indem Detektionsschaltkreise mit Ansprechzeiten verwendet wurden, die länger als die Zeit waren, die der Leistungstransistor benötigte, um anfangs Sättigung zu erreichen. Unglücklicherweise schaffen derart langsame Ansprechzeiten oft unangemessenen Schutz während eines normalen Zustandes. Abgesehen davon, dass sie zu langsam waren, wiesen frühere Entsättigungsdetektionsschaltkreise oft ungenaue Detektionsschwellen aufgrund von Systemkomponententoleranzen auf, was einem verlässlichen Erfassen von Entsättigungsereignissen weiter entgegenstand.Entsättigungsdetektionsschaltkreise with fast response times and precise detection thresholds for systems desired with power transistors, around the power transistors from excessive current, for example from a load short circuit, to protect. During the initial startup However, a power transistor requires the desaturation detection circuit for one sufficient time to be blocked to saturate the transistor enable. In the past, this problem has been solved by detecting circuits were used with response times that were longer than the time the power transistor needed, at first saturation to reach. Unfortunately Such slow response times often provide inappropriate protection while a normal state. Apart from being too slow, showed earlier Entsättigungsdetektionsschaltkreise often inaccurate detection thresholds due to system component tolerances on what a reliable Capture desaturation events continued to oppose.

Ein anderes Problem im Zusammenhang mit Leistungssystemen ist das Auftreten von Überspannungen über den Leistungstransistoren. Frühere Lösungen des Überspannungsproblems sahen Dämpfungsschaltkreise vor. Es hat sich gezeigt, dass Dämpfungsschaltkreise einen angemessenen Schutz gegen Überspannungszustände liefern, sie erfordern jedoch die Verwendung von Hochspannungskondensatoren hoher Qualität, welche voluminös und teuer sind.One Another problem associated with performance systems is the occurrence from surges over the Power transistors. earlier solutions the overvoltage problem saw damping circuits in front. It has been shown that damping circuits provide adequate protection against overvoltage conditions, however, they require the use of high voltage capacitors high quality, which voluminous and are expensive.

Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an einem Entsättigungsdetektions-schaltkreis mit einer schnellen Ansprechzeit und einer präzisen Detektionsschwelle. Es besteht zudem ein Bedarf an einem Überspannungsklemmenschutz, der Dämpfungsschaltkreise überflüssig macht.Out For this reason, there is a need for a desaturation detection circuit with a fast response time and a precise detection threshold. It there is also a need for surge protection, makes the damping circuits superfluous.

In Patent Abstracts of Japan, 63037712 A ist eine Überspannungsschutzschaltung für einen Feldeffekttransistor beschrieben, bei der zwischen dem Drain- und dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors eine Zenerdiode und eine Diode gegensinnig in Reihe geschaltet sind, wobei die Kathode der Zenerdiode mit dem Drain-Anschluss und die Kathode der Diode mit dem Gate-Anschluss verbunden ist. Dem Feldeffekttransistor ist ein Steuertransistor zugeordnet, dessen Kollektor über einen Widerstand mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist.In Patent Abstracts of Japan, 63037712 A is an overvoltage protection circuit for one Field effect transistor described in which between the drain and the gate terminal of the field effect transistor, a Zener diode and a diode are connected in series in opposite directions, the cathode the Zener diode with the drain terminal and the cathode of the diode connected to the gate terminal. The field effect transistor is associated with a control transistor whose collector via a Resistor connected to the gate terminal of the field effect transistor is.

Aus der DE 43 20 021 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung von Sättigungszuständen eines IGBT bekannt. Dabei wird der jeweilige Sättigungszustand über einen Komparator erfasst, der einen von einer Referenzspannung beaufschlagten ersten Eingang und einen zweiten Eingang umfasst, der über eine Diode mit dem Kollektor des IGBT verbunden ist, wobei die Anode der Diode an den zweiten Komparatoreingang und deren Kathode an den Kollektor des IGBT angeschlossen ist.From the DE 43 20 021 A1 For example, a device for detecting saturation states of an IGBT is known. In this case, the respective saturation state is detected by a comparator which comprises a first input acted upon by a reference voltage and a second input which is connected via a diode to the collector of the IGBT, wherein the anode of the diode to the second comparator input and the cathode to the Collector of the IGBT is connected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die oben erwähnten Anforderungen erfüllt und in der dazu die Entsättigungserfassung und der Überspannungsschutz bei einfachem Aufbau in optimaler Weise kombiniert sind.Of the Invention is the object of a device of the initially to provide the above-mentioned requirements, and in addition to the desaturation detection and the surge protection combined with a simple structure in an optimal way.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Spannungstransienten und zum Detektieren von Entsättigungszuständen in Leistungstransistorsystemen mit
einem ersten Transistor mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem Ansteuerungsanschluss und einem Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen,
einer ersten Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Kathode der ersten Diode an den ersten Anschluss des ersten Transistors gekoppelt ist und die erste Diode eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufweist, welche kleiner als der Lawinendurchbruchspannungsnennwert ist,
einer zweiten Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode der zweiten Diode an die Anode der ersten Diode gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors gekoppelt ist,
einer Ansteuerungseinrichtungsschaltung, die an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors gekoppelt ist, wobei die Ansteuerungseinrichtungsschaltung zum Liefern eines Ansteuerungssignals an den ersten Transistor dient,
einem ersten Widerstand,
einem zweiten Transistor mit einem Kollektor-Anschluss, einem Emitter-Anschluss und einem Basis-Anschluss, wobei der Basis-Anschluss des zweiten Transistors an die Ansteuerungseinrichtungsschaltung mittels des ersten Widerstandes gekoppelt ist,
einem ersten Kondensator, der an den Basis-Anschluss des zweiten Transistors gekoppelt ist,
einer dritten Diode mit einer Anode, einer Kathode und einem Durchbruchspannungsnennwert in Sperrrichtung, wobei die Kathode der dritten Diode an den Emitter des zweiten Transistors gekoppelt ist, die Kathode der dritten Diode auch an die Anoden der ersten und der zweiten Diode gekoppelt ist und die Anode der dritten Diode an Masse gekoppelt ist, und
einem Komparatorschaltkreis, der an die Anode der dritten Diode zur Erfassung eines Entsättigungszustandes gekoppelt ist.This object is achieved according to the invention by a device for suppressing voltage transients and for detecting desaturation states in power transistor systems
a first transistor having a first terminal, a second terminal, a driving terminal, and an avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals;
a first diode having an anode and a cathode, wherein the cathode of the first diode is coupled to the first terminal of the first transistor and the first diode has a breakdown voltage in the reverse direction that is smaller than the avalanche breakdown voltage nominal value,
a second diode having an anode and a cathode, wherein the anode of the second diode is coupled to the anode of the first diode and the cathode of the second diode is coupled to the drive terminal of the first transistor,
a driver circuit coupled to the drive terminal of the first transistor, the driver circuit serving to provide a drive signal to the first transistor,
a first resistance,
a second transistor having a collector terminal, an emitter terminal and a base terminal, wherein the base terminal of the second transistor is coupled to the driver circuit by means of the first resistor,
a first capacitor coupled to the base terminal of the second transistor,
a third diode having an anode, a cathode and a reverse breakdown voltage rating, the cathode of the third diode being connected to the Emitter of the second transistor is coupled, the cathode of the third diode is also coupled to the anodes of the first and the second diode and the anode of the third diode is coupled to ground, and
a comparator circuit coupled to the anode of the third diode for detecting a desaturation state.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.preferred embodiments the device according to the invention are in the subclaims specified.

Es ergibt sich somit eine Vorrichtung, in der die Entsättigungserfassung und der Überspannungsschutz in optimaler Weise kombiniert sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können also sowohl Spannungstransienten unterdrückt als auch Entsättigungszustände in Systemen mit Leistungstransistoren erfasst werden. Ein einziger Schaltkreis führt diese zwei Funktionen aus, wobei bestimmte Schaltkreiskomponenten verwendet werden, um beide zu implementieren. Die Unterdrückung von Spannungstransienten wird im wesentlichen mittels einer Zenerdiode erlangt, die zwischen die Hochspannungs- und Ansteuerungsanschlüsse des Systemleistungstransistors gekoppelt ist. Wenn ein Überspannungszustand über dem Leistungstransistor auftritt, bricht die Zenerdiode durch, wobei sie die Spannungszunahme in den Ansteuerungsanschluss des Leistungstransistors zurückspeist. Dies schaltet den Transistor ein und erlaubt ihm, den Strom zu senken, wodurch die Zunahme der Spannung über dem Transistor verlangsamt und der Überspannung entgegengewirkt wird.It Thus, there is a device in which the Entsättigungserfassung and the surge protection are combined in an optimal way. With the device according to the invention can So both voltage transients suppressed and desaturation states in systems be detected with power transistors. A single circuit leads this two functions using specific circuit components be to implement both. The suppression of voltage transients is obtained essentially by means of a Zener diode which between the high voltage and drive terminals of the system power transistor is coupled. When an overvoltage condition over the Power transistor occurs, the zener diode breaks through, wherein they increase the voltage in the drive terminal of the power transistor feeds back. This turns on the transistor and allows it to lower the current, which slows down the increase in voltage across the transistor and the overvoltage counteracted.

Unter normalen Betriebszuständen wird eine Kombination von mehreren Komponenten (einschließlich der Zenerdiode) eingesetzt, um einen Spannungspegel am Eingang eines Komparators einzustellen, welcher eine geeignete Sättigungsspannung über dem Leistungstransistor anzeigt. Ein erstes RC-Netzwerk schafft eine Verzögerung (näherungsweise 10 μs) bei mit Leistung beaufschlagtem Schaltkreis, während der der Entsättigungsdetektionsschaltkreis gesperrt ist. Ein zweites RC-Netzwerk überwacht die Zeit, in welcher der Schaltkreis auf einen Entsättigungszustand anspricht (näherungsweise 1 μs). Wenn der Leistungstransistor aus der Sättigung herauskommt, fällt der Spannungspegel an dem Eingang zu dem Komparator unter einen Referenzpegel und der Transistor wird ausgeschaltet.Under normal operating conditions will be a combination of several components (including the Zener diode) to a voltage level at the input of a Comparator, which has a suitable saturation voltage across the Power transistor indicates. A first RC network creates one delay (Approximately 10 μs) powered-up circuit while the desaturation detection circuit Is blocked. A second RC network monitors the time in which the circuit to a desaturation state responds (approximately 1 μs). If the power transistor comes out of saturation, the falls Voltage level at the input to the comparator below a reference level and the transistor is turned off.

Ein RC-Netzwerk mit einem ersten Widerstand und einem ersten Kondensator ist an die Ansteuerungseinrichtungsschaltung gekoppelt. Der Basis-Anschluss eines zweiten Transistors ist an die Ansteuerungseinrichtungsschaltung mittels des RC-Netzwerks gekoppelt.One RC network with a first resistor and a first capacitor is coupled to the driver circuit. The basic connection of a second Transistor is connected to the driver circuit by means of coupled to the RC network.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Durchbruchspannung in Sperrrichtung der ersten Diode 0,9·VB, wobei VB der Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten Transistors ist. Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform sind die Ansteuerungseinrichtungsschaltung und der Komparatorschaltkreis in einen integrierten Schaltkreis hergestellt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Transistor und die erste Diode in dem gleichen Halbleitersubstrat hergestellt.In a preferred embodiment, the reverse breakdown breakdown voltage of the first diode is 0.9 * V B , where V B is the avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals of the first transistor. According to another expedient embodiment, the driver circuit and the comparator circuit are fabricated into an integrated circuit. According to a further advantageous embodiment, the first transistor and the first diode are produced in the same semiconductor substrate.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bestimmt das RC-Netzwerk, das durch den ersten Widerstand und den ersten Kondensator gebildet wird, die Verzögerung bei dem Freigeben der Vorrichtung. Ein zweites RC-Netzwerk, das an die Anode der dritten Diode gekoppelt ist, bestimmt die Zeit, in welcher die Vorrichtung auf einen Entsättigungszustand anspricht, und die Zeit, in welcher der Entsättigungsschaltkreis in der Lage ist, sich selbst zurückzusetzen, sobald der Entsättigungszustand verschwunden ist.at an advantageous embodiment determines the RC network, which by the first resistance and the first capacitor is formed, the delay in releasing the Contraption. A second RC network, coupled to the anode of the third diode determines the time in which the device responds to a desaturation state, and the time in which the desaturation circuit in the Able to reset itself as soon as the desaturation state disappeared.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass sie einen Entsättigungsschaltkreis mit einer schnellen Ansprechzeit und einer genauen Detektionssschwelle schafft. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein schneller Überspannungsschutz ohne den Bedarf für teuere, voluminöse Dämpfungsschaltkreise gewährleistet ist.The The invention has the advantage of having a desaturation circuit with a fast response time and an accurate detection threshold creates. Another advantage of the invention is that a fast overvoltage protection without the need for expensive, voluminous Snubber circuits guaranteed is.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The The invention will be described below by way of example with reference to the drawing; in this shows:

1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines kombinierten Überspannungsklemmen- und Entsättigungsdetektionsschaltkreises. 1 a schematic diagram of an embodiment of a combined overvoltage clamp and desaturation detection circuit.

1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des kombinierten Überspannungsklemmen- und Entsättigungsdetektionsschaltkreises. Der gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise in einem Leistungsmodul angewendet werden, in welchem ein durch einen Ausgangsleistungstransistor gebildeter erster Transistor 10 einer von zwei Leistungstransistoren in einer Halbbrückeninverterkonfiguration ist. In einem derartigen Leistungsmodul empfängt ein integrierter Schaltkreis (IC) 12 ein an einen Transformator gekoppeltes Eingangssignal von einer Niederspannungselektronik, welche direkt an einen Pulsbreitenmodulator (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann. Der integrierte Schaltkreis 12 liefert dann ein Ansteuerungssignal an den ersten Transistor 10, welcher das Signal verstärkt, wodurch ein Ansteuerungssignal für eine Last 11 geliefert wird. 1 FIG. 12 is a schematic diagram of one embodiment of the combined overvoltage clamp and desaturation detection circuit. FIG. The circuit shown may be applied, for example, in a power module in which a first transistor formed by an output power transistor 10 is one of two power transistors in a half-bridge inverter configuration. In such a power module, an integrated circuit (IC) receives 12 a coupled to a transformer input signal from a low-voltage electronics, which may be coupled directly to a pulse width modulator (not shown). The integrated circuit 12 then supplies a drive signal to the first transistor 10 which amplifies the signal, whereby a drive signal for a load 11 is delivered.

Wenn der erste Transistor 10 ausgeschaltet ist, hält der OUT-Anschluss des integrierten Schaltkreises 12 den ersten Transistor 10 ausgeschaltet, indem eine negative Vorspannung (bezüglich seines Quellen- oder Sourcepotentials) VEE an den Gate-Anschluss des ersten Transistors 10 über einen Widerstand 14, den Reihengatewiderstand, angelegt wird. Der integrierte Schaltkreis 12 steuert auch die Basis eines zweiten Transistors 16 auf VEE über einen Widerstand 18 an, so dass sein Basis-Emitter-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt und ausgeschaltet ist. Eine Diode 20 verhindert einen Zenerdurchgang des Basis-Emitter-Übergangs des zweiten Transistors 16 während dieser Periode. Ein in dem integrierten Schaltkreis 12 enthaltener Feldeffekttransistor 22 schließt einen Widerstand 24 und einen Kondensator 26 auf Masse. Eine als Klemmenlawinendiode vorgesehene Diode 28 weist eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung von 0,9·VB auf, wobei VB der Lawinendurchbruchspannungsnennwert des ersten Transistors 10 ist. Bei dem Ereignis einer Überspannung an dem Drain-Anschluss des ersten Transistors 10, sobald das Drainpotential 0,9·VB erreicht, bricht die Diode 28 durch und beginnt zu leiten. Der Strom durch die Diode 28 lädt den Eingangskondensator des ersten Transistors 10 auf, wodurch die Gate-Source-Spannung dieses Transistors 10 (VGS10) hochgesteuert wird. Wenn die Drain-Source-Spannung des ersten Transistors 10 (VDS10) weiter steigt, beginnt VGS10 mit der gleichen Rate anzusteigen. Bald ist die VGS10 ausreichend hoch, um die Eingangsschwelle zu überwinden, und der erste Transistor 10 beginnt, Strom zu leiten. Wenn VDS10 weiter steigt, wird auch VGS10 zunehmend positiver. Solange VDS10 nicht VB überschreitet, kann der erste Transistor 10 einen vollen Kurzschlussstrom von wenigstens dem Fünffachen seines Nennstroms bei 90°C leiten und mehr, wenn VGS10 größer als 15 Volt während dieser Periode wird. Tatsächlich wird VDS10 sich an eine Spannung klemmen, welche gleich der Summe der Durchbruchspannung in Sperrrichtung der Diode 28 plus dem Vorwärtsabfall der Diode 32 plus VGS10 ist. Die Überspannungsschutzschaltung, die aus Dioden 28 und 32 besteht, ist durch die gestrichelte Linie 33 gezeigt.When the first transistor 10 is off, the OUT terminal of the integrated circuit stops 12 the first transistor 10 turned off by applying a negative bias (with respect to its source potential) V EE to the gate terminal of the first transistor 10 about a resistance 14 , the series gate resistance, is applied. The integrated circuit 12 also controls the base of a second transistor 16 on V EE over a resistor 18 so that its base-emitter junction is reverse biased and off. A diode 20 prevents Zener passage of the base-emitter junction of the second transistor 16 during this period. One in the integrated circuit 12 included field effect transistor 22 closes a resistor 24 and a capacitor 26 on earth. A diode provided as a clamp avalanche diode 28 has a reverse breakdown voltage of 0.9 · V B , where V B is the avalanche breakdown voltage value of the first transistor 10 is. In the event of an overvoltage at the drain terminal of the first transistor 10 As soon as the drain potential reaches 0.9 * V B , the diode breaks 28 through and start to lead. The current through the diode 28 charges the input capacitor of the first transistor 10 on, reducing the gate-source voltage of this transistor 10 (V GS10 ) is controlled up. When the drain-source voltage of the first transistor 10 (V DS10 ) continues to increase, V GS10 begins to increase at the same rate. Soon the V GS10 is high enough to overcome the input threshold and the first transistor 10 starts to conduct electricity. As V DS10 continues to increase, V GS10 is also becoming increasingly positive. As long as V DS10 does not exceed V B , the first transistor 10 conduct a full short circuit current of at least five times its rated current at 90 ° C, and more when V GS10 becomes greater than 15 volts during that period. In fact, V DS10 will clamp to a voltage equal to the sum of the reverse breakdown voltage of the diode 28 plus the forward drop of the diode 32 plus V is GS10 . The overvoltage protection circuit consisting of diodes 28 and 32 exists is through the dashed line 33 shown.

Der Entsättigungsdetektionsschaltkreis (welcher Dioden 28 und 32 enthält) wird nur freigegeben, nachdem der erste Transistor 10 ausreichend eingeschaltet worden ist. Wenn sich der erste Transistor 10 der Sättigung annähert, steuert der OUT-Anschluss des integrierten Schaltkreises 12 die Basis des zweiten Transistors 16 zu VDD über den Widerstand 18. Der Wert des Kondensators 36 ist so gewählt, dass die Freigabe der Entsättigungsdetektionsschaltung für näherungsweise 10 μs, oder bis der erste Transistor 10 ausreichend dicht an die Sättigung gelangt ist, verzögert wird. Unter normalen Sättigungszuständen liegt der Drain-Anschluss des ersten Transistors 10 auf näherungsweise 2 Volt. Dadurch wird die Diode 28 vorwärts vorgespannt, wobei die Spannung an der Kathode der Diode 34 nach unten gezogen wird, wodurch verhindert wird, dass die Diode 34 Strom in die Sperrrichtung leitet. Wenn der Drain-Anschluss des ersten Transistors 10 nicht unter einen bestimmten Wert innerhalb 10 μs Einschaltdauer abfällt oder dieser Transistor 10 aus der Sättigung während eines normalen Zustandes herauskommt, wird die Spannung an der Kathode der Diode 34, eine 7,5 Volt-Zenerdiode, rampenartig ansteigen, wodurch diese Diode 34 schließlich in Sperrrichtung vorgespannt und ausgeschaltet wird. Wenn die Diode 34 ihre Zenerspannung erreicht, wird sie durchbrechen und in Sperrrichtung zu leiten beginnen. Die resultierende Spannungspegel in dem Schaltkreis können aus der Spannung an dem Emitter des zweiten Transistors 16, nämlich 14,3 Volt, bestimmt werden. Durch Subtrahieren von 7,5 Volt (die Durchbruchspannung in Sperrrichtung der Diode 34) und 0,7 Volt (der Vorwärtsspannungsabfall der Diode 20) von 14,3 Volt, kann bestimmt werden, dass ein Gesamtwert von 1,1 Volt über den Widerständen 40 und 24 geteilt wird. Wenn der Widerstand 40 6,2 kΩ und der Widerstand 24 1 kΩ betragen, werden über dem Widerstand 24 0,83 Volt erzeugt, wodurch der 320 mV-Referenzpegel überschritten und der Komparator 44 ausgelöst werden. Daher wird der tatsächliche Entsättigungswahrnehmungsauslösungspunkt an dem Drain-Anschluss des ersten Transistors 10 durch die Durchbruchspannung in Sperrrichtung der Diode 34 (7,5 Volt) plus der Schwellenspannung des Komparators 44 (0,32 Volt) weniger dem Vorwärtsspannungsabfall der Diode 28 (ungefähr 0,8 Volt) eingestellt, was einen Wert von näherungsweise 7 Volt ergibt. Auf diese Weise wird jegliche Drain-Spannung größer als 7 Volt den Entsättigungsdetektionsschaltkreis auslösen.The desaturation detection circuit (which diodes 28 and 32 contains) is only released after the first transistor 10 has been sufficiently turned on. When the first transistor 10 As saturation approaches, the integrated circuit's OUT port controls 12 the base of the second transistor 16 to V DD via the resistor 18 , The value of the capacitor 36 is chosen so that the release of the desaturation detection circuit for approximately 10 microseconds, or until the first transistor 10 sufficiently close to saturation, is delayed. Under normal saturation conditions, the drain terminal of the first transistor is located 10 at approximately 2 volts. This will turn the diode 28 biased forward, wherein the voltage at the cathode of the diode 34 pulled down, which prevents the diode 34 Current in the reverse direction conducts. When the drain terminal of the first transistor 10 does not fall below a certain value within 10 μs of turn-on or this transistor 10 comes out of saturation during a normal state, the voltage at the cathode of the diode 34 , a 7.5 volt Zener diode, ramping up, causing this diode 34 finally biased in the reverse direction and turned off. If the diode 34 will reach its Zener voltage, it will break through and begin to conduct in the reverse direction. The resulting voltage levels in the circuit can be determined from the voltage at the emitter of the second transistor 16 , namely 14.3 volts to be determined. By subtracting 7.5 volts (the reverse breakdown voltage of the diode 34 ) and 0.7 volts (the forward voltage drop of the diode 20 ) of 14.3 volts, it can be determined that a total value of 1.1 volts across the resistors 40 and 24 is shared. When the resistance 40 6.2 kΩ and the resistance 24 1 kΩ, will be above the resistance 24 0.83 volts, which exceeded the 320 mV reference level and the comparator 44 to be triggered. Therefore, the actual desaturation-perception trigger point becomes at the drain terminal of the first transistor 10 by the breakdown voltage in the reverse direction of the diode 34 (7.5 volts) plus the threshold voltage of the comparator 44 (0.32 volts) less the forward voltage drop of the diode 28 (approximately 0.8 volts), giving a value of approximately 7 volts. In this way, any drain voltage greater than 7 volts will trigger the desaturation detection circuit.

Der Widerstand 48 begrenzt jeglichen Fluss schädlicher Ströme in den Entsättigungsdetektionsschaltkreis, wann immer die Diode 28 während V++ Bus- oder Ausgangslasttransienten durchbricht. Der primäre Zweck des Kondensators 26 besteht darin, eine Rauschfilterung für den IM-Eingang des integrierten Schaltkreises 12 vorzusehen. Wenn ein Entsättigungszustand auftritt, bestimmt der Kondensator 26 zusammen mit der Parallelkombination von Widerständen 24 und 40 sowohl die Ansprechzeit des Entsättigungsdetektionsschaltkreises auf ein Entsättigungsereignis als auch die Zeit, die notwendig ist, den Entsättigungsdetektionsschaltkreis zurückzusetzen, sobald der erste Transistor 10 zu einem normalen Zustand zurückkehrt. Betragen der Kondensator 26 1000 pF, der Widerstand 24 1 kΩ und der Widerstand 40 6,2 kΩ, so ist die Rücksetzverzögerung (d.h. die Zeit, die erforderlich ist, um Kondensator 26 von 830 mV auf 320 mV zu entladen) geringfügig kürzer als 1 μs. Die Ansprechzeit des Schaltkreises auf ein Entsättigungsereignis (d.h. die Zeit, die erforderlich ist, um Kondensator 26 von 0 auf 320 mV aufzuladen) ist geringfügig kürzer. Die Einschaltverzögerung von näherungsweise 10 μs, die durch die Kombination aus dem Widerstand 18 und dem Kondensator 36 bestimmt wird, beeinflusst nur die Entsättigungsverzögerung während des anfänglichen Einschaltens.The resistance 48 limits any flow of harmful currents into the desaturation detection circuit whenever the diode 28 while V ++ breaks bus or output load transients. The primary purpose of the capacitor 26 This is a noise filtering for the IM input of the integrated circuit 12 provided. When a desaturation condition occurs, the capacitor determines 26 together with the parallel combination of resistors 24 and 40 both the response time of the desaturation detection circuit to a desaturation event and the time necessary to reset the desaturation detection circuit as soon as the first transistor 10 returns to a normal state. Do the capacitor 26 1000 pF, the resistance 24 1 kΩ and the resistance 40 6.2 kΩ, so is the reset delay (ie the time required to capacitor 26 from 830 mV to 320 mV) slightly shorter than 1 μs. The response time of the circuit to a desaturation event (ie, the time required to charge capacitor 26 from 0 to 320 mV) is slightly shorter. The switch-on delay of approximately 10 μs, resulting from the combination of the resistance 18 and the capacitor 36 is determined affects only the desaturation delay during the initial power-up.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der integrierte Schaltkreis 12 einen integrierten Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltkreis.According to one embodiment, the integrated circuit comprises 12 an integrated complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit.

Claims (26)

Vorrichtung zum Unterdrücken von Spannungstransienten und zum Detektieren von Entsättigungszuständen in Leistungstransistorsystemen mit einem ersten Transistor (10) mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem Ansteuerungsanschluss und einem Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen, einer ersten Diode (28) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Kathode der ersten Diode (28) an den ersten Anschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist und die erste Diode (28) eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufweist, welche kleiner als der Lawinendurchbruchspannungsnennwert ist, einer zweiten Diode (32) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode der zweiten Diode (32) an die Anode der ersten Diode (28) gekoppelt ist und die Kathode der zweiten Diode (32) an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist, einer Ansteuerungseinrichtungsschaltung, die an den Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) gekoppelt ist, wobei die Ansteuerungseinrichtungsschaltung zum Liefern eines Ansteuerungssignals an den ersten Transistor (10) dient, einem ersten Widerstand (18), einem zweiten Transistor (16) mit einem Kollektor-Anschluss, einem Emitter-Anschluss und einem Basis-Anschluss, wobei der Basis-Anschluss des zweiten Transistors (16) an die Ansteuerungseinrichtungsschaltung mittels des ersten Widerstandes (18) gekoppelt ist, einem ersten Kondensator (36), der an den Basis-Anschluß des zweiten Transistors (16) gekoppelt ist, einer dritten Diode (34) mit einer Anode, einer Kathode und einem Durchbruchspannungsnennwert in Sperrrichtung, wobei die Kathode der dritten Diode (34) an den Emitter des zweiten Transistors (16) gekoppelt ist, die Kathode der dritten Diode (34) auch an die Anoden der ersten und der zweiten Diode (28 bzw. 32) gekoppelt ist und die Anode der dritten Diode (34) an Masse gekoppelt ist, und einem Komparatorschaltkreis (44), der an die Anode der dritten Diode (34) zur Erfassung eines Entsättigungszustandes gekoppelt ist.Device for suppressing voltage transients and detecting desaturation states in power transistor systems having a first transistor ( 10 ) having a first terminal, a second terminal, a driving terminal and an avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals, a first diode ( 28 ) with an anode and a cathode, wherein the cathode of the first diode ( 28 ) to the first terminal of the first transistor ( 10 ) and the first diode ( 28 ) has a reverse breakdown voltage which is smaller than the avalanche breakdown voltage value, a second diode ( 32 ) with an anode and a cathode, wherein the anode of the second diode ( 32 ) to the anode of the first diode ( 28 ) and the cathode of the second diode ( 32 ) to the drive terminal of the first transistor ( 10 ), a driver circuit connected to the drive terminal of the first transistor ( 10 ), wherein the driver circuit for supplying a drive signal to the first transistor ( 10 ), a first resistor ( 18 ), a second transistor ( 16 ) having a collector terminal, an emitter terminal and a base terminal, wherein the base terminal of the second transistor ( 16 ) to the driver circuit by means of the first resistor ( 18 ), a first capacitor ( 36 ) connected to the base terminal of the second transistor ( 16 ), a third diode ( 34 with an anode, a cathode and a reverse breakdown voltage rating, the cathode of the third diode ( 34 ) to the emitter of the second transistor ( 16 ), the cathode of the third diode ( 34 ) also to the anodes of the first and the second diode ( 28 respectively. 32 ) and the anode of the third diode ( 34 ) is coupled to ground, and a comparator circuit ( 44 ) connected to the anode of the third diode ( 34 ) is coupled to detect a desaturation state. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Diode (28) eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung von 0,9·VB aufweist, wobei VB der Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten Transistors (10) ist.Device according to claim 1, wherein the first diode ( 28 ) has a reverse breakdown voltage of 0.9 * V B , where V B is the avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals of the first transistor ( 10 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der erste Transistor (10) ein Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Drain-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Source-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Gate-Anschluss ist.Device according to claim 1, wherein the first transistor ( 10 ) is a power metal oxide semiconductor field effect transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a drain terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) a source terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a gate terminal. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin anstelle des ersten Transistors (10) ein gesteuerter Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Thyristor vorgesehen ist, wobei der erste Anschluß des Thyristors ein Kathoden-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Thyristors ein Anoden-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des Thyristors ein Gate-Anschluss ist.Device according to Claim 1, in which instead of the first transistor ( 10 A controlled power metal oxide semiconductor thyristor is provided, wherein the first terminal of the thyristor is a cathode terminal, the second terminal of the first thyristor is an anode terminal and the drive terminal of the thyristor is a gate terminal. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der erste Transistor (10) ein isolierter Gate-Bipolar-Leistungstransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Kollektor-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Emitter-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Gate-Anschluss ist.Device according to claim 1, wherein the first transistor ( 10 ) is an insulated gate bipolar power transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a collector terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) an emitter terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a gate terminal. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der erste Transistor (10) ein Bipolar-Leistungstransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Kollektor-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Emitter-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Basis-Anschluss ist.Device according to claim 1, wherein the first transistor ( 10 ) is a bipolar power transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a collector terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) an emitter terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a basic connection. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Ansteuerungseinrichtungsschaltung und der Komparatorschaltkreis (44) in einem integrierten Schaltkreis (12) hergestellt sind.Apparatus according to claim 1, wherein said driver circuit and said comparator circuit ( 44 ) in an integrated circuit ( 12 ) are made. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin der integrierte Schaltkreis (12) ein herkömmlicher integrierter Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltkreis ist.Apparatus according to claim 7, wherein the integrated circuit ( 12 ) is a conventional integrated metal oxide semiconductor (CMOS) circuit. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der erste Transistor (10) und die erste Diode (28) auf dem gleichen Halbleitersubstrat hergestellt sind.Device according to claim 1, wherein the first transistor ( 10 ) and the first diode ( 28 ) are fabricated on the same semiconductor substrate. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste und die dritte Diode (28 bzw. 34) Zenerdioden umfassen.Apparatus according to claim 1, wherein the first and third diodes ( 28 respectively. 34 ) Zener diodes. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Widerstand (18) und der erste Kondensator (36) ein erstes RC-Netzwerk bilden, durch welches eine Verzögerung beim Freigeben der Vorrichtung bestimmt wird, sowie mit einer vierten Diode (20) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode der vierten Diode (20) an den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors (16) gekoppelt ist, einem zweiten Widerstand (40), einem dritten Widerstand (48), einem vierten Widerstand (24), wobei die Kathode der dritten Diode (34) an die Kathode der vierten Diode (20) mittels des zweiten Widerstandes (40) gekoppelt ist, die Kathode der dritten Diode (34) auch an die Anoden der ersten und der zweiten Diode (28 bzw. 32) mittels des dritten Widerstandes (48) gekoppelt ist und die Anode der dritten Diode (34) an Masse mittels des vierten Widerstandes (24) gekoppelt ist, und mit einem zweiten Kondensator (26), der an die Anode der vierten Diode (34) gekoppelt ist, wobei der vierte Widerstand (24) und der zweite Kondensator (26) ein Teil eines zweiten RC-Netzwerkes bilden, welches die Zeit bestimmt, in welcher die Vorrichtung auf einen Entsättigungszustand anspricht.Device according to claim 1, wherein the first resistor ( 18 ) and the first capacitor ( 36 ) form a first RC network by which a delay in enabling the device is determined, as well as with a fourth diode ( 20 ) with an anode and a cathode, wherein the anode of the fourth diode ( 20 ) to the emitter terminal of the second transistor ( 16 ), a second resistor ( 40 ), a third resistor ( 48 ), a fourth resistor ( 24 ), wherein the cathode of the third diode ( 34 ) to the cathode of the fourth diode ( 20 ) by means of the second resistor ( 40 ), the cathode of the third diode ( 34 ) also to the anodes of the first and the second diode ( 28 respectively. 32 ) by means of the third resistor ( 48 ) and the anode of the third diode ( 34 ) to ground by means of the fourth resistor ( 24 ) and with a second capacitor ( 26 ) connected to the anode of the fourth diode ( 34 ), the fourth resistor ( 24 ) and the second capacitor ( 26 ) form part of a second RC network which determines the time at which the device responds to a desaturate state. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die erste Diode (28) eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung von 0,9·VB aufweist, wobei VB der Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten Transistors (10) ist.Apparatus according to claim 11, wherein the first diode ( 28 ) has a reverse breakdown voltage of 0.9 * V B , where V B is the avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals of the first transistor ( 10 ). Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der erste Transistor (10) ein Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Drain-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Source-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Gate-Anschluss ist.Device according to claim 11, wherein the first transistor ( 10 ) is a power metal oxide semiconductor field effect transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a drain terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) a source terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a gate terminal. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin anstelle des ersten Transistors (10) ein gesteuerter Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Thyristor vorgesehen ist, wobei der erste Anschluss des Thyristors ein Kathoden-Anschluss, der zweite Anschluss des Thyristors ein Anoden- Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des Thyristors ein Gate-Anschluss ist.Device according to Claim 11, in which instead of the first transistor ( 10 A controlled power metal oxide semiconductor thyristor is provided, wherein the first terminal of the thyristor is a cathode terminal, the second terminal of the thyristor is an anode terminal and the drive terminal of the thyristor is a gate terminal. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der erste Transistor (10) ein isolierter Gate-Bipolar-Leistungstransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Kollektor-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Emitter-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Basis-Anschluss ist.Device according to claim 11, wherein the first transistor ( 10 ) is an insulated gate bipolar power transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a collector terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) an emitter terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a basic connection. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der erste Transistor (10) ein Bipolar-Leistungstransistor ist, wobei der erste Anschluss des ersten Transistors (10) ein Kollektor-Anschluss, der zweite Anschluss des ersten Transistors (10) ein Emitter-Anschluss und der Ansteuerungsanschluss des ersten Transistors (10) ein Basis-Anschluss ist.Device according to claim 11, wherein the first transistor ( 10 ) is a bipolar power transistor, wherein the first terminal of the first transistor ( 10 ) a collector terminal, the second terminal of the first transistor ( 10 ) an emitter terminal and the drive terminal of the first transistor ( 10 ) is a basic connection. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Ansteuerungseinrichtungsschaltung und der Komparatorschaltkreis (44) in einem integrierten Schaltkreis (12) hergestellt sind.Apparatus according to claim 11, wherein the driver circuit and the comparator circuit ( 44 ) in an integrated circuit ( 12 ) are made. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin der integrierte Schaltkreis (12) einen herkömmlichen integrierten Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltkreis umfasst.Apparatus according to claim 17, wherein said integrated circuit ( 12 ) comprises a conventional integrated complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der erste Transistor (10) und die erste Diode (28) auf dem gleichen Halbleitersubstrat hergestellt sind.Device according to claim 11, wherein the first transistor ( 10 ) and the first diode ( 28 ) are fabricated on the same semiconductor substrate. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die erste und die dritte Diode (28 bzw. 34) Zenerdioden umfassen.Apparatus according to claim 11, wherein the first and third diodes ( 28 respectively. 34 ) Zener diodes. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Ansteuerungsanschluss aufweisende erste Transistor (10) dem jeweiligen Leistungstransistorsystem zugeordnet ist.An apparatus according to claim 1, wherein the first transistor (1) having a first terminal, a second terminal and a driving terminal ( 10 ) is assigned to the respective power transistor system. Vorrichtung nach Anspruch 21, worin die erste Diode (28) eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung von 0,9·VB aufweist, wobei VB der Lawinendurchbruchspannungsnennwert zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten Transistors (10) ist.Apparatus according to claim 21, wherein the first diode ( 28 ) has a reverse breakdown voltage of 0.9 * V B , where V B is the avalanche breakdown voltage value between the first and second terminals of the first transistor ( 10 ). Vorrichtung nach Anspruch 21, worin die Ansteuerungseinrichtungsschaltung und der Komparatorschaltkreis (44) in einem integrierten Schaltkreis (12) hergestellt sind.Apparatus according to claim 21, wherein said driver circuit and said comparator circuit ( 44 ) in an integrated circuit ( 12 ) are made. Vorrichtung nach Anspruch 23, worin der integrierte Schaltkreis (12) einen herkömmlichen integrierten Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltkreis umfasst.Apparatus according to claim 23, wherein the integrated circuit ( 12 ) comprises a conventional integrated complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit. Vorrichtung nach Anspruch 21, worin der erste Transistor (10) und die erste Diode (28) auf dem gleichen Halbleitersubstrat hergestellt sind.Apparatus according to claim 21, wherein the first transistor ( 10 ) and the first diode ( 28 ) are fabricated on the same semiconductor substrate. Vorrichtung nach Anspruch 21, worin die erste und die dritte Diode (28 bzw. 34) Zenerdioden umfassen.Apparatus according to claim 21, wherein the first and third diodes ( 28 respectively. 34 ) Zener diodes.
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